اگر به کشورهای بین المللی سفر کرده باشید، متوجه شده اید که پریزهای برق دارای ولتاژ استاندارد جهانی نیستند – یک پریز در ایالات متحده 110 ولت است در حالی که در هند 220 ولت است.

یکی از دلایل اصلی این تفاوت این است که ایالات متحده از مس برای انتقال خط استفاده می کند در حالی که هند از آلومینیوم ارزان تر استفاده می کند. به نوبه خود، این تابع خاصیت ماده ای به نام «مقاومت الکتریکی» است که برای آلومینیوم بیشتر از مس است.

یک پریز برق در آمریکا

در این بخش، چگونگی واکنش مواد مختلف به میدان های الکتریکی و چگونگی اندازه گیری این خواص را بررسی خواهیم کرد. به طور خاص، سؤالات زیر را با جزئیات در نظر خواهیم گرفت.

داخل یک سیم مسی

از بیرون، یک تکه سیم مسی چیزی از آرامش نورانی است.

از درون هر چیزی جز آرامش است. میلیاردها الکترون مانند سگ های وحشی در فضای بین اتم های مس می چرخند. مانند یک سپر بی پایان، این الکترون ها دائماً با یکدیگر و اتم های سنگین اطرافشان برخورد می کنند. صحنه صحنه آشفتگی و سردرگمی است.

بیشتر مواد در فضاهای بین اتم ها الکترون ندارند. در عوض، آنها حفره های بین اتمی عظیمی دارند که از فضای بیرونی خالی تر هستند.

الکترون های موجود در این مواد به اتم های خود پیوند محکمی دارند و دورترین آنها از مرکز الکترون های ظرفیتی نامیده می شوند. این الکترون ها تقریباً به تنهایی مسئول تمام شیمی هستند!

اگر مقدار مناسب انرژی را اعمال کنید، این الکترون‌های ظرفیت می‌توانند از اتم‌های خود و به فضای خالی بین اتمی بپرند. آنها با رهایی از کشش الکترومغناطیسی سرکوبگر هسته، با خوشحالی در اطراف فضا پرسه می زنند و با اتم ها و سایر الکترون ها برخورد می کنند.

بیشتر مواد به الکترون هایشان اجازه نمی دهند تا اینقدر آزادانه گردش کنند. وجود این استخر فراوان از الکترون‌های «آزاد» برای فلزاتی مانند مس منحصر به فرد است.

هنگامی که سیم به منبع تغذیه متصل می شود، این الکترون ها از ترمینال منفی دور شده و به سمت ترمینال مثبت حرکت می کنند. این جریان الکترون ها همان چیزی است که ما معمولاً از آن به عنوان جریان الکتریکی یاد می کنیم.

جریان الکتریکی جریان الکترون ها در یک ماده در پاسخ به میدان الکتریکی یا مغناطیسی است.

موادی مانند سرامیک، پلاستیک و چوب تمام الکترون‌های خود را در محدوده اتم‌هایشان محدود می‌کنند. این مواد هیچ الکترون «آزاد» ندارند و از این رو رسانای الکتریسیته نیستند.

باند گپ

مکانیک کوانتومی به ما می آموزد که:

برای هر ماده ای در شرایط محیطی، مقدار منحصر به فردی از انرژی لازم است تا یک الکترون ظرفیتی را به سمت آزادی فضای بین اتمی سوق دهد. این مقدار انرژی را باند گپ ماده می گویند.

برای مثال bandgap Diamond 5.5 eV است. اگر دقیقاً این مقدار انرژی را به یک کریستال الماس اعمال کنید، یک الکترون منفرد از یک اتم کربن به فضای بین اتم ها می پرد.

موادی مانند سرامیک دارای فاصله باند بالایی هستند. باند گپ دی اکسید سیلیکون 9 eV و نیترید آلومینیوم 6 eV است. بنابراین ایجاد مخزن الکترون های آزاد در این مواد نسبتاً سخت است و در نتیجه آنها الکتریسیته را رسانا نمی کنند.

فلزاتی مانند مس دارای شکاف نواری بسیار کم هستند. در واقع، آنها به قدری پایین هستند که در دمای اتاق، انرژی حاصل از گرمای محیط کافی است تا تمام الکترون‌های ظرفیت آزاد شوند و در داخل فلز حرکت کنند.

برای داشتن چشم انداز، یک مکعب سانتی متری مس دارای بیش از 8.5×1022 الکترون آزاد است – یعنی هشت تا پنج هزار میلیارد میلیارد الکترون!

بنابراین فلزات رسانای خوب الکتریسیته هستند در حالی که سرامیک، لاستیک و چوب رسانای بدی هستند.

الکترون های آزاد درون یک فلز به میدان های الکتریکی پاسخ می دهند.

رسانایی و مقاومت

برای درک واقعی سطح هرج و مرج درون یک فلز، فقط باید به اعداد نگاه کنیم.

یک الکترون منفرد درون مس در دمای اتاق از نظر تئوری می تواند با سرعت 1570 کیلومتر بر ثانیه حرکت کند – سریعتر از صدای موجود در هوا! با این حال، این الکترون به زودی به الکترون دیگری برخورد می کند و در جهت مخالف ضربه می زند، به طوری که حتی با سرعت های بسیار زیاد، هیچ مسافتی را طی نمی کند.

هرج و مرج درون یک فلز به قدری بد است که حتی با یک منبع تغذیه، یک الکترون فقط 23 میکرومتر را در ثانیه می پوشاند – یا تقریباً به اندازه قطر یک موی انسان.

الکترون به قدری از مسیر پرتاب می شود که میانگین فاصله ای که می تواند از آن عبور کند رقت انگیز است.

با توجه به این، ممکن است به نظر برسد که الکتریسیته یک شکل بسیار بیهوده از انتقال انرژی است – و در واقع می توان برای این موضوع استدلال کرد. قدرت واقعی جریان الکترون در اعداد محض آن است – حتی اگر هر الکترون یک میانگین کوچک بگیرد.

طی کردن مسیر در یک سیم، در میلیاردها و میلیاردها این منجر به انتقال قدرتمند انرژی می شود.

اگر الکترون ها در خطوط مستقیم ثابت حرکت کنند، مقاومت موثر صفر خواهد بود.

به عبارت ساده تر، اصطلاح مقاومت یک اندازه گیری کمی از هرج و مرج کلی درون یک ماده است.

اما چگونه آشفتگی درون یک سیم فلزی را به صورت کمی اندازه گیری کنیم؟

دو سیم از لحاظ فیزیکی یکسان را در نظر بگیرید – یکی از مس و دیگری از آلومینیوم. ما همان باتری 12 ولتی را به هر یک از این سیم ها وصل می کنیم.

با استفاده از یک دستگاه اندازه گیری الکترونیکی به نام مولتی متر می توانیم جریان موجود در آنها را اندازه گیری کنیم.

اگر قطر و طول سیم ها یکسان باشد، باید متوجه شویم که جریان سیم مسی بیشتر از جریان آلومینیوم است.

چرا این باید اینطوری باشد؟

برای مثال، مس دارای الکترون های آزاد بسیار بیشتری نسبت به آلومینیوم است.

آلومینیوم اتمی کوچکتر از مس است – الکترون های آن جاذبه قوی هسته را احساس می کنند و تعداد کمتری از آنها برای “آزاد شدن” فرار می کنند. این به نوبه خود به این معنی است که در مقایسه با مس، الکترون های کمتری برای انتقال جریان الکتریکی در دسترس است.

بنابراین، برای همان ولتاژ، یک هادی بهتر جریان بزرگتری تولید می کند.

این به طور رسمی در قانون اهم نامیده می شود. این قانون می گوید که:

جریان عبوری از یک هادی بین دو نقطه با ولتاژ دو نقطه نسبت مستقیم دارد.

`V=Icdot R`

کمیت R مقاومت رسانا نامیده می شود. واحد آن ولت / آمپر است که معمولاً با اهم (Ω) نشان داده می شود.

`R=rhofrac{V}{I}`

معکوس مقاومت رسانایی نامیده می شود که با G نشان داده می شود.

`G=frac{1}{R}=frac{I}{V}`

قانون اهم برای اولین بار توسط جورج اهم در سال 1827 توصیف شد. جالب اینجاست که در آن زمان توسط اکثر دانشمندان و دانشگاهیان به شدت مورد انتقاد قرار گرفت. با این حال، در چند دهه به طور گسترده پذیرفته شد.

توجه داشته باشید که اگر بگوییم مقاومت آلومینیوم بیشتر از مقاومت مس است اشتباه است. این به این دلیل است که مقاومت تابعی از ابعاد فیزیکی هادی است – مانند طول و قطر یک سیم.

قانون اهم رابطه بین جریان و ولتاژ در مقاومت های ایده آل است.

قانون اهم رابطه بین جریان و ولتاژ در مقاومت های ایده آل است.

رسانایی و مقاومت

با در نظر گرفتن نظریه آشوب سگ وحشی در مورد جریان الکتریکی که قبلاً ذکر کردیم، می‌توانیم نتیجه بگیریم که:

هر چه طول سیم بیشتر باشد، احتمال برخورد الکترون با هر چیز دیگری بیشتر است
قطر بزرگ فضای بیشتری برای جریان الکترون ایجاد می کند و می تواند احتمال برخورد مذکور را کاهش دهد

این شهودها با ربط دادن مقاومت (R) به طول آن (l) و سطح مقطع (A) به صورت ریاضی ترسیم می شوند.

`R =rhofrac{l}{A}`

جایی که rho یک ثابت تناسب است که مقاومت یا مقاومت ویژه یک ماده معین نامیده می شود. بر خلاف مقاومت – که یک ویژگی ماکروسکوپی است، مقاومت یک ویژگی اساسی ماده است. واحد مقاومت اهم متر (Ωm) است.

`rho =Rfrac{A}{l}`

صحبت در مورد معکوس مقاومت بسیار رایج است – کمیتی که به درستی رسانایی الکتریکی یا رسانایی خاص نامیده می شود که با سیگما نشان داده می شود. واحد رسانایی زیمنس است.

`sigma =frac{1}{rho} =frac{l}{RA}`

مقاومت مس 1.68 x 10-8 Ωm و آلومینیوم 2.65 x 10-8 Ωm است.

همانطور که انتظار می رود، آلومینیوم در مقایسه با مس مقاومت بیشتری دارد، یا به طور معادل، مس رسانایی بیشتری نسبت به آلومینیوم دارد.

در طبیعت، خواص الکتریکی مانند مقاومت و رسانایی بیش از 23 مرتبه بزرگی دارد. یعنی اگر کوچکترین مقدار مقاومت هر ماده روی زمین 1 باشد، بالاترین مقدار 1023 (ده و 23 صفر) برابر آن خواهد بود! هیچ خاصیت فیزیکی یا شیمیایی دیگری این نوع تنوع را نشان نمی دهد.

نقره بهترین رسانا در میان فلزات است – با این حال، ما از آن برای سیم های برق استفاده نمی کنیم، زیرا قیمت بسیار بالایی دارد. جدول زیر مقادیر مقاومت برخی از مواد رایج را نشان می دهد. مشاهده می شود که تفاوت بین یک هادی خوب مانند مس و یک هادی بد مانند شیشه می تواند چندین مرتبه قدر باشد.

مواد

 

مقاومت (Ωm)

 

نقره

 

1.59 x 10-8

 

فلز مس

 

1.68 x 10-8

 

سیلیکون

 

0.1

 

خشکی پوست انسان

 

1*105

 

شیشه

 

1*109

 

لاستیک

 

1 × 1013

بیشتر کشورها از مس برای انتقال جریان استفاده می کنند زیرا به طور قابل توجهی ارزان تر از نقره است.

نیمه هادی ها

موادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم دارای مقادیر مقاومتی بین فلزات و غیر رساناها مانند شیشه هستند.

این مواد را به طور مناسب نیمه رسانا می نامند.

چیزی که این مواد را جالب می کند این نیست که آنها یک منطقه انتقالی از هادی خوب به بد را اشغال می کنند، بلکه این است که رسانایی آنها به راحتی قابل دستکاری است.

با افزودن مقداری فسفر یا بور می توان رسانایی سیلیکون را به میزان قابل توجهی افزایش داد. علاوه بر این، هر یک از این مواد ناخالص به دو نوع رسانایی مختلف منجر می‌شود که باعث ایجاد سیلیکون نوع n و نوع p می‌شود.

جریان الکتریکی در نوع n و p

به ترتیب توسط الکترون‌های آزاد و حفره‌های دارای بار مثبت ایجاد می‌شود. آنها در تمام جنبه های دیگر یکسان رفتار می کنند.

این مواد به صورت جداگانه و ترکیبی، همه وسایل و تراشه های الکترونیکی را که امروزه می شناسیم، به وجود می آورند.

یک وسیله الکترونیکی مبتنی بر نیمه هادی که توسط یک دانشمند نگهداری می شود.

ولتاژ شکست و قدرت دی الکتریک

تمام نیمه هادی ها و سایر عایق ها دارای حداکثر ولتاژی هستند که می توانند تحمل کنند. فراتر از این ولتاژ، میدان الکتریکی به قدری بالا می‌رود که الکترون‌ها از مولکول‌ها و اتم‌ها کشیده می‌شوند و باعث جریان زیادی و در نهایت شکست می‌شوند.

این حداکثر ولتاژی که یک عایق می تواند تحمل کند، ولتاژ شکست ماده نامیده می شود.

اگر عایق دی الکتریک باشد، ولتاژ شکست به عنوان قدرت دی الکتریک نیز شناخته می شود (عایق های جامد دی الکتریک نامیده می شوند). کاربرد رایج دی الکتریک ها در مدارهای الکترونیکی است – مانند مقاومت، خازن، سلف و غیره. از این رو دی الکتریک های صنعتی مورد استفاده در این کاربردها به استحکام دی الکتریک بسیار بالایی نیاز دارند.

فلزات از نظر تئوری ولتاژ شکست ندارند – با این حال، در ولتاژهای بالاتر، جریان زیاد جریان می تواند منجر به گرمایش ژول و ذوب بعدی هادی شود.

ضریب مقاومت دما

مقاومت و در نتیجه مقاومت تابعی از دما است. گرما می تواند منجر به افزایش یا کاهش مقاومت شود – بسته به ماده.

کمیتی به نام ضریب مقاومت دمایی (α) این رابطه را کمی نشان می دهد. به طور رسمی به این صورت تعریف می شود:

تغییر مقاومت تقسیم بر تغییر دما برای مقدار معینی از یک ماده، ضریب دمایی مقاومت است.

`alpha =frac{Delta R}{Delta T}`

در دمای بالاتر، الکترون‌های فلزات سریع‌تر حرکت می‌کنند و با فرکانس بالاتر به یکدیگر برخورد می‌کنند. بنابراین، مقاومت یک فلز با دما (یا کاهش رسانایی) افزایش می یابد. بنابراین ضریب دمایی مقاومت اکثر فلزات مثبت است.

برای نیمه هادی ها و نافلزها، افزایش دما منجر به پرش الکترون های بیشتری از اتم ها به فضای آزاد اطراف آن می شود. این افزایش الکترون های آزاد باعث افزایش رسانایی این مواد و یا کاهش مقاومت می شود. بنابراین ضریب دمایی مقاومت نیمه هادی ها و غیر فلزات منفی است.

قبلاً ما فقط دو نوع رسانا داشتیم – فلزات عالی و عایق های رقت انگیز.

ظهور نیمه هادی ها و تجهیزات الکترونیکی مرتبط، انواع مختلفی از هادی ها را ممکن ساخته است. ما امروز به همان اندازه که نگران رسانایی لایه نازک اکسید روی یک بستر هستیم، همانطور که در مورد لحیم کاری که یک مدار الکتریکی را به هم وصل می کند، نگران هستیم.

به عنوان مثال، یک اجاق مایکروویو معمولی، برای تامین انرژی ساعت دیجیتال خود، برق بیشتری مصرف می کند تا گرم کردن غذا.

شکل‌ها و اندازه‌های منحصربه‌فرد این مواد، تعریف چندین نوع مقاومت دیگر را که ممکن است برای کاربرد مناسب‌تر باشند، ضروری کرده است.

مقاومت ورق

مقاومت ورق عمدتاً برای یک لایه نازک تعریف می شود – این پوششی است که معمولاً کمتر از یک میکرومتر ضخامت دارد.

این پوشش ها به طور گسترده در نیمه هادی ها، پوشش های فلزی، پوشش های شیشه ای و خمیرهای مقاوم به کار می روند.

مقاومت ورق، مقاومت ماده تقسیم بر ضخامت است.

`rho=R_{s}cdot t`

در صنعت لایه نازک، برخی از روش ها مانند پروب چهار نقطه ای می توانند مستقیماً مقاومت ورق را ایجاد کنند. اگر ضخامت مشخص باشد، می توان مقاومت توده ای ماده را محاسبه کرد.

مقاومت عایق سطحی

این ویژگی مواد عایق مورد استفاده در بردهای مدار چاپی است که به عنوان اتصال دهنده تماس عمل می کنند. در واقع، این مقاومت در واحد سطح یک ماده با این فرض است که جریان فقط در امتداد سطح جریان دارد.

بسیاری از سیستم های فلزی در طول عملیات خود تحت واکنش های شیمیایی قرار می گیرند که می تواند رسانایی آنها را تغییر دهد و در نتیجه بر عملکرد کلی دستگاه تأثیر بگذارد.

مقاومت عایق سطحی ما را قادر می سازد تا عملکرد یک کنتاکت را تحت تنش تعیین کنیم و از این رو مناسب بودن آن را برای کاربرد معین ارزیابی کنیم.

یک مدار الکترونیکی با عناصر الکتریکی متعدد.